车辆激发动机的振动噪声技术发展及对策

1,车辆及发动机的振动噪声技术发展及对策,天津大学内燃机国家重点实验室舒歌群,2,噪声法规的发展噪声控制方法和技术噪声控制技术的发展声音品质评价及控制技术振动及其控制技术我国在振动噪声控制领域应采取的对策,主要内容,3,噪声法规的发展,第一部分,4,噪声控制的意义,“能源与环境”是汽车和发动机工业在本世纪发展所面临的两大课题。而环境问题主要是汽车和发动机的排放和噪声污染。噪声污染对人民的生活质量、身心健康造成了很大的影响和危害。在城市噪声污染中，75%是来源于以内燃机为主要噪声源的交通运输噪声。车辆与发动机的振动噪声特性是消费者最直接感受的产品指标,5,噪声法规的发展,国外工业发达国家自60年代末和70年代初纷纷以法规和标准的形式来控制车辆的噪声欧共体自1969年制定噪声法规以来已经修改4次。限值变化在8-12dB之间。日本自1971年制定噪声法规以来已经修改10次。限值变化在8-10dB之间。美国自1970年制定噪声法规以来已经修改4次。中国自1979年制定噪声法规。2002出台新标准。,6,ECE汽车加速噪声限值的变化,GB1495-79标准,中国现行标准,7,日本汽车加速噪声限值的变化,中国现行标准,GB1495-79标准,8,各国和地区现行噪声法规的比较,9,发展趋势,英国里卡多公司预测内燃机工业所面临的未来的挑战中，将环境压力放在第一位。要求减少内燃机对环境影响的压力主要表现为对内燃机排放和噪声制定和执行严格的法规上。奥地利AVL在讨论到柴油机发展的总趋势时认为：就柴油机的发展问题而言，最具有挑战性的要求是解决排污控制，噪声、振动和行驶平顺性（NVH）以及为取得满意的性能所耗成本与所需技术间的协调关系。,10,AVL在展望21世纪的车用柴油机时预测：对于轿车，2005年25辆轿车的噪声辐射能量相当于1970年1辆轿车的辐射量。对于货车，2005年20辆货车的噪声辐射能量相当于1970年1辆货车的辐射量。德国Audi公司在探讨柴油机技术的发展时认为：降低噪声满足法规要求是近年来发展的明显特点，并认为这种发展还会进一步加强。,发展趋势,11,日本尼桑公司认为：柴油机作为降低CO2的有力手段，特别是轿车市场占有率有所发展。至于柴油机的缺点功率和黑烟等方面，由于燃烧、喷油系统和增压技术的提高，几乎已经达到与汽油机相当的水平。但振动噪声的缺点依然不能忽视，这也是柴油机推广的最大障碍。,发展趋势,12,振动噪声控制方法和技术,第二部分,13,噪声的分类与识别,从广义来讲，车辆噪声按其性质大致可分为：燃烧噪声：燃烧过程激发并通过结构辐射出去的噪声；进气和排气噪声：进排气过程的空气动力噪声；机械噪声：零部件的运动所激发的噪声；轮胎噪声：车轮与地面摩擦所产生的噪声；车身噪声：车身对各种激励的响应。,14,噪声的分类与识别,若按噪声产生的过程则可分为两类：一是与发动机运转有关的噪声，主要包括发动机运转时发出的燃烧噪声、机械噪声、进气和排气噪声等；另一类是与汽车行驶有关的噪声主要有：传动机构（变速器、传动轴、差速器等）的机械噪声、轮胎发出的噪声、车身（架）振动及空气作用所产生的噪声。,15,噪声源识别,在工作中要严格地细分、识别上述噪声源是非常困难的，也没有实际的意义。但是对汽车加速行驶噪声中各主要发声部件对整车噪声的贡献进行识别对于指导降噪工作是非常重要的。噪声源的识别方法可以按功能性噪声源识别和表面噪声分布特性来进行。,16,噪声源识别,通过在噪声实验室中对发动机进行拖动、拆卸进排气门等手段，将发动机的各功能噪声一一区分出来。通常进行声功率测量。,17,噪声源识别,在运行过程中，对各个表面的噪声进行测试，来确定各个表面对整个噪声的贡献大小。,18,噪声源识别,进行噪声源识别对于减小降噪措施的盲目性、提高降噪方案和工作的针对性和准确性，缩短研究周期、提高研究工作的效率是非常重要的。依据噪声源识别的结果，可指导降噪工作。要抓主要矛盾。噪声的叠加：75dB+75dB=78dB，75dB+65dB=75dB,19,噪声的控制技术,从任何发声过程来看，噪声产生的机理为：激励源传递过程机器表面声辐射。,因此，控制噪声必须从这三方面进行考虑，既要对其进行分别研究，又要将其当作一个系统综合考虑；既要满足降噪量的大小，又要考虑技术上的可行性、方案实施的经济性，权衡利弊，确定一个比较合理可行的实用方案。,支承结构,内燃机表面,燃烧活塞拍击轴承撞击齿轮机构激励气门拍击其它,噪声,20,降低燃烧噪声，使燃烧平和，降低压力升高率。降低振动激励源，一级、二级往复惯性力的平衡和转移。减小进排气门关闭的冲击。减小活塞的拍击。,激励源控制,21,降低齿轮传动的机械啮合噪声，采用皮带轮传动方式。,激励源控制,22,发动机结构的优化设计，增加刚度、增加阻尼。,传递途径控制,23,传递途径控制,24,局部屏蔽：对缸盖罩壳、齿轮室盖、油底壳等比较大的发声部件采用高阻尼材料覆盖件，以屏蔽这些部件的声辐射；箱式屏蔽：是将整个发动机用隔声罩包围起来，这种效果最好，比较成功的箱式屏蔽能减小发动机噪声15DB。但是这种方式需解决通风冷却问题，而且外型尺寸和质量、成本均有较大增加。,表面辐射控制,25,附件控制,26,尽管现有的排气消声器对排气噪声的消声量通常都比较可观，但是在安装尺寸允许的情况下对排气消声器的形式进行优化设计，在不损失发动机功率的情况下再取得一定的消声量是可能的，也是必须的。由于排气消声系统管路较长为薄壁系统，柔性较大，易产生附加噪声。因此通过安装方案的优化设计，合理安装，能够降低排气系统的表面辐射噪声和随机的噪声波动。,消声器,27,降噪实例,柴油机降噪的实例：原机：100.1分贝最佳化燃烧:98.5分贝屏蔽:97.3分贝机体优化:94.9分贝,28,噪声控制技术的发展,第三部分,29,国外对内燃机降噪研究早有认识。七十年代国外通过局部屏蔽、全屏蔽等隔声附件的方法来降低内燃机的噪声。这种降噪方式使生产工艺复杂化，使成本提高，但是对内燃机结构的影响较小。后来出现所谓内燃机结构再设计的降噪方法，即通过修改结构动态参数来达到降低内燃机噪声的方法。在发动机结构再设计过程中，结构模态试验、有限元分析是重要工具。,噪声控制技术发展,30,内燃机在标定工况下的1米噪声级与轿车或卡车的行驶噪声之间有一个经验的平均衰减差值，因此内燃机标定工况下的1米噪声级必须控制在95-97dBA之内才能可靠地满足原欧共体噪声法规规定的轿车为77dBA和卡车为83/84dBA的要求。而为了满足欧共体新的噪声法规规定的轿车74dBA和卡车79/80dBA的要求，即使在考虑了各种降噪措施后，内燃机标定工况下的1米噪声级必须控制在93-95dBA之内。,噪声控制技术发展,31,为满足噪声法规的发展，对发动机的1米噪声提出了更高的要求。,噪声控制技术发展,32,从欧共体和奥地利对卡车的噪声限值法规可以看到这一事实，即，降低车辆行驶噪声在技术上已经达到极限。因此要达到新法规进一步降低噪声的要求，即使继续使用局部屏蔽和全隔声罩也必须采用新的低噪声内燃机设计手段才能实现。,噪声控制技术发展,33,另一方面，提高功率的措施同时对振动噪声也有较大的影响。,噪声控制技术发展,34,为了降低内燃机噪声，进一步的研究方向应该是：内燃机的燃烧各种运动件的机械撞击的控制对曲轴箱部件组合动态结构响应的最优化有限元计算方法使附件不发声以及内燃机发声零件采用新型材料等问题。采用上述方法设计(传统方法）开发的新型内燃机可以利用现有技术在可行的生产率和成本之内，使内燃机在标定转速和负荷下1米噪声级达到95-98dBA。,噪声控制技术发展,35,但是要想使内燃机在标定工况下的噪声降低到93dBA，就必须考虑采用非传统的新型内燃机构思。同时新型低噪声内燃机还必须满足输出功率、扭矩特性、燃油消耗率、生产成本以及废气排放法规等关键性能参数的要求。对此，象奥地利的AVL和德国的FEV等均提出了非传统的低噪声内燃机结构设计的新概念。,噪声控制技术发展,36,基于发动机技术新的设计概念，为满足未来最严格的噪声法规限值要求，必须采用：屏蔽措施需要特别重视的是燃油喷射和燃烧系统齿轮传动部件的布置与制造优化内燃机结构除了附件和特制的隔声罩等方面，甚至无声的辅件也要仔细考虑。所有设计方案均应考虑到大量生产的可行性和成本问题。,噪声控制技术发展,37,动力装置总成的设计,噪声控制技术发展,38,噪声控制技术发展,采用增加内部阻尼的低噪声汽油机结构,39,噪声控制技术发展,具有很大低噪声潜力的非传统柴油机设计,40,噪声控制技术发展,非传统柴油机设计不同零部件的固有模态,41,噪声声音品质的主观评价及控制,第四部分,42,噪声控制目标的发展,早在80年代,对于车辆及发动机而言,设计的重点在于降低声音的能量,使得用dB(A)测量的声压级能满足正在执行或即将执行的越来越严格的噪声法规，而没有考虑更深入的声音特性。为了达到良好的物理效果，汽车上所有的噪声发射部件都被改善，直到它们几乎达到同等的噪声能。,43,噪声控制目标的发展,进入90年代，在低噪声技术的基础上，人们认识到不同的发声会产生犹如八音盒、多乐器音乐会般的效果。因此当今汽车展示了不同的声音品质。声音品质的改善目标将是适应乘客要求的、易接受的、不令人厌的、动感的声音。可能的话，这种声音犹如产品的造型一样，将会是一种能展示产品特征的、有特色的声音。车辆及发动机的声音品质会对其市场和销售产生影响。所以改善产品的声音质量已变得越来越重要。,44,声音品质评价及控制,在车辆及发动机声音品质主观评价技术的研究中，奥地利AVL李斯特公司的Schiffbanker和Hussain等作了开拓性的工作。通过对60种有代表性的发动机噪声的测量,按声学特征归纳为8类评价指标，提练出48个物理特征量（表1），对300个应试者作了噪声骚扰度的统计分析。其贡献在于建立了完整的噪声族谱的测试方法和以数理统计为基础的主观评价技术。,45,声音品质评价及控制,声音品质的主观评价受多种因素的影响，因此各国针对不同人种、对象，对车辆和发动机声音品质的归类和评价指标确定也是各具特色。如德国FEV发动机技术公司对车辆和发动机声音品质划分为11种评价指标；日本学者则将车辆噪声提炼出14类评价指标。而美国福特公司的研究人员则把车辆的启动持续时间也作为一个评价车辆声音品质的指标。英国Ricardo的研究人员则将噪声的评价归类为5种指标。,46,AVL声音品质主观评价指标,声压级：声波传播过程中介质压力的变化。语音干扰级：周期性：用于低于20Hz的调制频率，在此范围内人耳能直接跟随声级变化。有起伏的信号感觉上声音较响。将1kH60dB的声音100%调制到4kH频率就能获得1vacil值。响度级：以等响度线和频带为基础，着重于听觉。响度单位是“方”（phon），响度级单位是“宋”（sone）。,47,AVL声音品质主观评价指标,尖锐度：这个指数是声的高频成分有关。1acuma单位相当于以中心频率1kH60dB的噪声。声音粗糙度是频率在20-300Hz范围内时，人耳对振幅调制灵敏度的一个参数。将1kHz、60dB的声音调制到70Hz产生1asper的粗糙度。,48,AVL声音品质主观评价指标,49,AVL的声音品质主观评价研究,AVL李斯特公司的H.Schiffbanker和M.Schneider等在研究中采用了成对比较法和理论推导中的分段选择法。应用这些方法挑选出能够最准确描述发动机噪声主观感受的物理量。,50,AVL的声音品质主观评价研究,利用模拟人头将150多种发动机噪声和40多种车辆噪声以立体声的形式录制下来，从中选出7-12种代表性的噪声回放给应试者。应试者由150多位性别、年龄、职业各异的人员组成。其中相当一部分是具有声学知识的工程师。测试中，由计算机随机组对播放一对噪声样本，应试者用20秒来判断哪个更悦耳。测试完成后，计算历次比较中，某一样本被判定为更悦耳的次数。总次数和代表了某一应试者对某一特定样本的主观值，被认为是主观骚扰度的倒数。由于全部应试者的判断不完全一致，该骚扰度还要被连贯性系数和一致性系数修正。,51,AVL的声音品质主观评价研究,用大量客观的物理参数对样本进行标定。目的是能找出一组参量的线形组合，求出客观骚扰度与主观值最接近的那组参量作为最佳参量。在选择最佳物理参量的过程中，应用了统计学中的逐段选择法。即先求出单个导致方差最小的参量，再选出另一参量，使得它与已选出的参量的组合是已选参量与所有参量组合中导致方差最小的，且比上一步的方差小。这样反复进行，直到所有参量都被检验过（但不一定被选择）。,52,AVL的声音品质主观评价研究,研究表明：最优参量是表示响度的Sone、表示周期性的PrePer、表示粗糙度的SMOD、表示尖锐度的Bank和表示脉冲度的kurtosis。并求得了他们相应的权重系数。于是：(1)式中:Annoyanceindex为骚扰性系数，,为权重系数；f为函数；C为测量基准。,53,福特公司对启动噪声声音品质主观评价的研究,福特汽车公司对车辆起动噪声进行了主观评价研究。其思路与AVL李斯特公司的相近。研究目的在于改善其豪华车型的声音品质。因此主观评价测试中有较强的针对性。应试者来自45岁以上的高收入阶层，以男性为主，无声学及测试方面的知识，代表了豪华车型购买者的一般特点。,54,福特公司对启动噪声声音品质主观评价的研究,通过应试者对噪声的自由评论,得到影响声音品质的三个主要因素为响度、起动持续时间和声学特性。为单独考察声学特性与特征量的关系，将响度调整为恒定值，并用回归方程导出特征量的公式：（2）可见,起动持续时间和声学特性在主观评价中有同等的重要作用,而响度与它们相比是次要因素。,55,FEV对声音品质的主观评价研究,FEV发动机技术公司对噪声的主观测量与AVL李斯特公司的方法大体相同。根据主观骚扰度值，给出了极性分布和心理反映图。研究人员分析了主观判定与客观特征的关系，例如：客观特征的高振幅，在主观上判定为“响（loud）”；大量的高频分布会造成“尖锐（sharp）”的感觉；而加强低频分布会造成“压抑（muffled）”的感受。,56,FEV对声音品质的主观评价研究,进一步分析客观特性与传动件（或其它）之间的关系，即找到发动机中的噪声源，而且要确定它们的传播途径。研究者发现，影响声音品质的主要因素是饱满性（Powerfull）、阶跃激励和脉冲激励因素。研究人员发现德国人对声音的愉悦感是和声音饱满性（Powerfull）成正比的。FEV提出：在确定目标噪声时，一方面要考虑到顾客的要求，另一方面要兼顾目标的可能性。,57,日本人对声音品质的主观评价研究,日本学者发现，对声音主观评价的主要依据是响度、脉动性和频率特性，并且日本人对声音的清脆音（Metalic）较为喜欢；日本的田佃研究了日本人和德国人对发动机声音品质的主观感受的比较。在6项指标中,4项差异较大,其中2项出现了完全相反的判断。对被测的两辆日本车和一辆欧洲车，日本人和德国人根据其对声音品质的好恶作出了完全不同的取舍。,58,YAMAHA开发的发动机噪声评估仪,由于摩托车发动机无遮盖且离骑车人近，所以改善声学品质对摩托车更迫切。YAMAHA是摩托车厂商中较早开始研究噪声的主观评价问题。他们的研究工作集中在怠速噪声。YAMAHA主观评价方法的基本思想是它选择了三个参量来描述怠速噪声的主观特性，即响度、脉动性和频率特性，分别用A加权声压级、波动级和高频级。他们的实验结果表明用上述三个物理量的线形组合得到评估值与主观评估值之间有很高的相关性。而以该原理开发的噪声评估仪则提供了一种新的对周期性脉动噪声的评估指标。,59,FEV提高车辆声音品质的研究,其总体设计思想是通过研究内部噪声的主观评价，分析造成发动机噪声骚扰性的主要原因，并估计改进的潜力，确定目标噪声值，优化内燃机设计。其研究步骤为：（1）发动机噪声的实时状态分析；（2）声音品质目标值的确定；（3）零部件的声学设计。,60,FEV提高车辆声音品质的研究,FEV的应用研究主要在三个方面:首先是进气系统的声学设计。该设计应同发动机的最高扭矩、功率特性结合起来，因而，声学模型的建立与容积效率的计算应同时进行。其次是发动机机体结构设计。这部分的声学设计应集中于机体裙部，大部分隆隆声和声音的粗糙度可通过这部分的优化设计而得到降低。最后是活塞的声学设计。活塞与气缸内壁的拍击激起了气缸和机体的振动，由而导致了噪声。活塞外形、活塞头部直径、活塞间隙和活塞销的偏心距都是容易引起噪声的参数。,61,尼桑汽车公司对整机及飞轮的研究,日本尼桑汽车公司在改善发动机及整车的声音品质方面做了大量的工作。他们的研究认为,良好的声音品质应满足:声压级与转速的线性关系；声音的基础分量的声压级应远大于其它分量的声压级。尼桑汽车公司开展了对其4.5升V8发动机声音品质和柔性飞轮所做的研究。,62,尼桑汽车公司对整机及飞轮的研究,对V8发动机,除满足上述两点特性以外,还必须保证气缸裙部较高的刚性。因为燃烧压力是在对角线方向上施加在气缸体上的,所以容易造成扭转和弯曲振动。采取的措施有:曲轴材料采用锻钢,且曲轴销和曲轴颈的直径足够大,保证较高的曲柄刚度。在曲轴前段皮带轮上加扭/弯减振器来减少弯曲振动。,63,尼桑汽车公司对整机及飞轮的研究,使用轴承梁提高曲轴的支撑刚度，采用侧向加强气缸刚度来抑制V型机刚体的对角变形和弯曲变形。利用主谐次法降低旋转方向的不平衡量。该项措施使不平衡量降低到了原来的四分之一。通过使用扩张式谐振器、霍尔姆兹谐振器及管式谐振器降低了进气噪声。以上措施的采用使得VH45D发动机从怠速到转速极限皆能保持良好的音质特性。,64,振动及控制技术,第五部分,65,振动及控制技术,振动与噪声问题是互为相关的，尤其是弯曲振动易激发噪声。振动影响驾乘人员的舒适性和身体健康。高频振动影响人的神经系统，低频振动易激发内脏的晃动。振动影响机器本身结构可靠性。,66,振动激励源,往复惯性力：以发动机的转速为基频，多谐次。低频。离心惯性力。等于发动机的转速频率。低频。进排气门关闭冲击。激励的间隔为发动机的转速频率，但冲击响应为高频。活塞拍击：拍击响应为高频。,67,轴系振动,轴系振动,68,轴系振动,轴系振动形式,69,减振器（扭振减振器、复合减振器）,轴系振动控制,70,活塞拍击噪声及控制,活塞拍击及控制,71,结构振动,结构振动实际上是车架结构对其它振动激励源的一种振动响应。机体的结构振动模态基本上集中在中高频的范围里。,72,整机振动的控制,整机振动的控制主要在于：隔振垫设计、主动控制支撑点的优化设计，解耦,73,我国在振动噪声控制领域应采取的对策,第六部分,